CN101807851B - 开关电源负载扰动前馈控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种开关电源负载扰动前馈控制电路,涉及高频开关电源技术领域。本发明通过将负载扰动的信息加入到功率因数校正PFC电路控制环路中形成前馈控制,当负载扰动使输出功率增大时,PFC电路的电流环基准也跟着增大,由于PFC电路的电流环是闭环控制,所以PFC电路的电感电流也相应增大,使得整个PFC电路能够迅速响应负载扰动,反之亦然。另一方面,由于负载扰动前馈控制只在负载变化时起作用,对稳态指标THD和PF不会产生影响。因此能够避免现有技术中负载扰动指标与THD指标和PF指标的矛盾关系,实现负载扰动指标提高的同时也能够提高功率因数PF和输入电流谐波THD指标。

Description

开关电源负载扰动前馈控制电路
技术领域
本发明涉及高频开关电源技术领域,特别涉及一种开关电源负载扰动前馈控制电路。
背景技术
随着高频开关电源技术的不断发展,用户对电源产品的电气性能要求也不断提高,如:功率因数(PF)、输入电流谐波(THD)、负载扰动等。功率因数校正(PFC)技术目前已经得到非常广泛的应用,使得电源稳态PF和THD的性能指标得到很大提高。
在实施本发明过程中,发明人发现现有技术中,由于很多用户对负载扰动要求很高,而传统的控制技术无法实现在高性能负载扰动指标的同时也满足高性能PF和THD的指标要求。因为要提高负载扰动的性能指标,就需要提高PFC电压环的带宽,但较高的PFC电压环带宽会降低PF和THD的性能指标,这是相互矛盾的。
发明内容
本发明实施例提供一种开关电源负载扰动前馈控制电路,以解决现有高频开关电源技术中,无法实现在高性能负载扰动指标的同时也满足高性能PF和THD指标要求的问题。
一种开关电源负载扰动前馈控制电路,包括:
电流采样电路(U6),用于从隔离直流DC/DC变换主功率电路(U2)采样负载电流;
电压采样电路(U7),用于从隔离DC/DC变换主功率电路(U2)采样负载电压;
第一控制电路(U4),用于将所述电流采样电路(U6)及电压采样电路(U7)采样的负载电流和负载电压进行模/数转换后,计算得到负载功率,并通过负载功率与电源输出功率上限值相除计算占空比,得到脉宽调制PWM信号;
PWM信号隔离传输电路(U5),用于将所述第一控制电路(U4)得到的PWM信号传输至第二控制电路(U3);
所述第二控制电路(U3),用于将所述PWM信号进行模/数转换后,利用得到的数字量对功率因数校正PFC电路(U1)进行前馈控制,使负载扰动指标提高的同时提高功率因数PF和输入电流谐波THD指标。
其中,所述第二控制电路(U3),具体用于将所述PWM信号进行模/数转换后,利用得到的数字量对功率因数校正PFC电路(U1)采用闭环比例积分微分PID方式进行前馈控制,使负载扰动指标提高的同时提高功率因数PF和输入电流谐波THD指标。
所述电流采样电路(U6)与所述第一控制电路(U4)的第一模数转换通道(AD1)相连;
所述电压采样电路(U7)与所述第一控制电路(U4)的第二模数转换通道(AD2)相连。
所述第一控制电路(U4)具体为数字信号处理器DSP或微控制单元MCU。
所述PWM信号隔离传输电路(U5)具体为光耦隔离电路或磁隔离电路。
所述第二控制电路(U3)具体为数字信号处理器DSP。
本发明提供的开关电源负载扰动前馈控制电路,通过将负载扰动的信息加入到功率因数校正PFC电路(U1)控制环路中形成前馈控制,当负载扰动使输出功率增大时,PFC电路的电流环基准也跟着增大,由于PFC电路的电流环是闭环控制,所以PFC电路的电感电流也相应增大,使得整个PFC电路能够迅速响应负载扰动,反之亦然。另一方面,由于负载扰动前馈控制只在负载变化时起作用,对稳态指标THD和PF不会产生影响。可见,本发明提供的开关电源负载扰动前馈控制电路,能够避免现有技术中负载扰动指标与THD指标和PF指标的矛盾关系,实现负载扰动指标提高的同时也能够提高功率因数PF和输入电流谐波THD指标。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的开关电源负载扰动前馈控制电路结构框图;
图2为本发明实施例中对PFC进行前馈控制示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
随着数字控制技术的不断进步,数字开关电源成为中大功率高端开关电源的一个发展趋势,用数字信号处理器(DSP)来实现PFC的技术已经得到广泛应用。DSP的应用使得PFC的控制算法变得非常灵活。
为了解决现有高频开关电源技术中,无法实现在高性能负载扰动指标的同时也满足高性能PF和THD指标要求的问题,本发明实施例提供一种开关电源负载扰动前馈控制电路,通过将负载扰动的信息加入到功率因数校正PFC电路U1控制环路中形成前馈控制,使负载扰动指标提高的同时提高功率因数PF和输入电流谐波THD指标。
参见图1,本发明实施例提供的开关电源负载扰动前馈控制电路包括:
电流采样电路U6,用于从隔离直流DC/DC变换主功率电路U2采样负载电流;
电压采样电路U7,用于从隔离DC/DC变换主功率电路U2采样负载电压;
第一控制电路U4,用于将所述电流采样电路U6及电压采样电路U7采样的负载电流和负载电压进行模/数转换后,计算得到负载功率,并通过负载功率与电源输出功率上限值相除计算占空比,得到脉宽调制PWM信号;
PWM信号隔离传输电路U5,用于将所述第一控制电路U4得到的PWM信号传输至第二控制电路U3;
所述第二控制电路U3,用于将所述PWM信号进行模/数转换后,利用得到的数字量对功率因数校正PFC电路U1进行前馈控制,使负载扰动指标提高的同时提高功率因数PF和输入电流谐波THD指标。
具体的,图1所示电路主要包括以下几个部分:分别是PFC主功率电路U1,隔离DC/DC变换主功率电路U2,数字信号处理器U3,PWM信号隔离传输电路U5,数字信号处理器U4,电流采样电路U6,电压采样电路U7。其中:数字信号处理器U3、PWM信号隔离传输电路U5、数字信号处理器U4、电流采样电路U6和电压采样电路U7共同组成负载扰动前馈控制电路,这几个部分缺一不可。
图1所示具体电路如下:U1可以是单相PFC功率电路或三相PFC功率电路;U2隔离DC/DC变换器可以是半桥电路、全桥电路或多电平电路;U3为数字信号处理器(DSP),直接对U1电路进行数字控制;U4为数字信号处理器(DSP)或单片机(MCU);U5为PWM信号隔离传输电路,可以用光耦隔离电路实现,或用磁隔离电路实现;C1为PFC直流母线滤波电容,用来对PFC工频纹波和高频纹波进行平滑滤波;C2为DC/DC输出滤波电容;R1为负载电阻;U6为负载电流采样电路;U7为负载电压采样电路。
图1所示电路工作原理:负载电流Io经电流采样电路U6后连接到芯片U4的模数转换通道AD2,负载电源Vo经电压采样电路U7后连接到芯片U4的模数转换通道AD1。芯片U4将采样到的电压和电流转换成数字量Vo1和Io1,并将Vo1和Io1进行相乘得到电源负载功率数字量Po1。即:Po1=Vo1*Io1,再通过公式D=Po1/Pmax得到对应的脉宽调制(PWM)占空比D,其中Pmax为电源输出功率上限值。芯片U4将计算后的PWM信号通过U5隔离传输电路后传输到芯片U3的AD1脚。数字信号处理器U3将检测到的PWM信号转换成数字量,用于PFC环路的前馈控制。
进一步的,第二控制电路U3对功率因数校正PFC电路(U1)进行前馈控制,具体为利用得到的PWM信号数字量对功率因数校正PFC电路U1采用闭环比例积分微分PID方式进行前馈控制,以便使负载扰动指标提高的同时提高功率因数PF和输入电流谐波THD指标。
实际应用中,采用PID方式对PFC电路进行前馈控制的方式有多种,参见图2,为一种采用PID方式对PFC电路进行前馈控制的具体实现方式。
其中:D1为负载瞬态功率信号模拟量D转换后的数字量;Vin1为PFC交流输入电压Vin进行A/D转换后的数字量;Iin1为PFC电感电流Iin进行A/D转换后的数字量;Vout1为PFC直流母线电压Vout进行A/D转换后的数字量;Iref为PFC电流环基准;Vinrms2为PFC交流输入电压Vin的有效值。DSP1数字控制电路将采集到的负载瞬态功率信号模拟量D转换成数字量D1,乘上系数K得到A=K·D1,并与PFC电压环运算后的结果B进行相加得到C=A+B,以实现前馈控制。PFC电流环的基准为
Figure GSA00000068301000051
Iref与PFC电流采样数字量Iin1进行闭环PID控制,以实现PFC功能。当负载扰动使输出功率增大时,A会增大,C也随之增大,这样PFC电流环的基准Iref也跟着增大,由于PFC电流环是闭环控制,所以PFC电流Iin也相应增大,使得整个PFC电路会迅速响应负载扰动。由于负载扰动前馈控制只在负载变化时起作用,所以对稳态指标THD和PF没有影响。
可见,本发明实施例提供的开关电源负载扰动前馈控制电路,通过将负载扰动的信息加入到功率因数校正PFC电路(U1)控制环路中形成前馈控制,当负载扰动使输出功率增大时,PFC电路的电流环基准也跟着增大,由于PFC电路的电流环是闭环控制,所以PFC电路的电感电流也相应增大,使得整个PFC电路能够迅速响应负载扰动,反之亦然。另一方面,由于负载扰动前馈控制只在负载变化时起作用,对稳态指标THD和PF不会产生影响。可见,本发明实施例提供的开关电源负载扰动前馈控制电路,能够避免现有技术中负载扰动指标与THD指标和PF指标的矛盾关系,实现负载扰动指标提高的同时也能够提高功率因数PF和输入电流谐波THD指标。
需要说明的是,在本文中,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个......”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本发明不局限于上述实施方式,任何人在本发明专利的启示下得出的其他任何与本发明专利相同或相近似的产品,均落在本发明专利的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种开关电源负载扰动前馈控制电路,其特征在于,包括:
电流采样电路(U6),用于从隔离DC/DC变换主功率电路(U2)采样负载电流;
电压采样电路(U7),用于从隔离DC/DC变换主功率电路(U2)采样负载电压;
第一控制电路(U4),用于将所述电流采样电路(U6)及电压采样电路(U7)采样的负载电流和负载电压进行模/数转换后,计算得到负载功率,并通过负载功率与电源输出功率上限值相除计算占空比,得到脉宽调制PWM信号;
PWM信号隔离传输电路(U5),用于将所述第一控制电路(U4)得到的PWM信号传输至第二控制电路(U3);
所述第二控制电路(U3),用于将所述PWM信号进行模/数转换后,利用得到的数字量对功率因数校正PFC电路(U1)进行前馈控制,使负载扰动指标提高的同时提高功率因数PF和输入电流谐波THD指标。
2.根据权利要求1所述开关电源负载扰动前馈控制电路,其特征在于,所述第二控制电路(U3),具体用于将所述PWM信号进行模/数转换后,利用得到的数字量对功率因数校正PFC电路(U1)采用闭环比例积分微分PID方式进行前馈控制,使负载扰动指标提高的同时提高功率因数PF和输入电流谐波THD指标。
3.根据权利要求1或2所述开关电源负载扰动前馈控制电路,其特征在于,所述电流采样电路(U6)与所述第一控制电路(U4)的第一模数转换通道(AD2)相连;
所述电压采样电路(U7)与所述第一控制电路(U4)的第二模数转换通道(AD1)相连。
4.根据权利要求1或2所述开关电源负载扰动前馈控制电路,其特征在于,所述第一控制电路(U4)具体为数字信号处理器DSP或微控制单元MCU。
5.根据权利要求1或2所述开关电源负载扰动前馈控制电路,其特征在于,所述PWM信号隔离传输电路(U5)具体为光耦隔离电路或磁隔离电路。
6.根据权利要求1或2所述开关电源负载扰动前馈控制电路,其特征在于,所述第二控制电路(U3)具体为数字信号处理器DSP。
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